電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

摘要：電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)頻繁工作于啟動(dòng)／停車、加／減速等復(fù)雜工況下，較工業(yè)用電機(jī)需要更寬的轉(zhuǎn)速范圍和更高的過載系數(shù)，同時(shí)對控制器的開發(fā)提出了較大的挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)了一種適用于電動(dòng)汽車的永磁同步電機(jī)(PMSM)控制器。給出了主電路的設(shè)計(jì)方法及驅(qū)動(dòng)、檢測和保護(hù)單元的參考電路。軟件部分采用矢量控制，并根據(jù)實(shí)時(shí)性要求將任務(wù)劃分為4級(jí)。最后搭建平臺(tái)，對控制器的性能進(jìn)行了測試。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；永磁同步電機(jī)；控制器

1 引言
    當(dāng)前能源危機(jī)和環(huán)境污染問題推動(dòng)了電動(dòng)汽車的發(fā)展。電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)包括汽車技術(shù)、電氣技術(shù)和電子技術(shù)等，其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)是電動(dòng)汽車的核心。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的任務(wù)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能使汽車前進(jìn)。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)不同于工業(yè)用電機(jī)，通常要求能頻繁地啟動(dòng)／停車、加速／減速、具有較寬的轉(zhuǎn)速范圍和較高的過載系數(shù)，且要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)低速或爬坡時(shí)能提供高轉(zhuǎn)矩，高速行駛時(shí)則能輸出低轉(zhuǎn)矩。各國政府和主要汽車公司都對驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的研究和開發(fā)給予了高度的重視，并取得了一定的成就。
    目前正在應(yīng)用或開發(fā)的電動(dòng)汽車用電機(jī)主要有直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)、PMSM、感應(yīng)電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)。PMSM以其體積小、重量輕、慣性低、響應(yīng)快、轉(zhuǎn)矩密度高、效率高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩高和功率因數(shù)高的特點(diǎn)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。此處將設(shè)計(jì)一種適用于電動(dòng)汽車的PMSM控制器。

2 控制器硬件設(shè)計(jì)
    驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器采用全數(shù)字化結(jié)構(gòu)，功率部分包括：主電路；IGBT驅(qū)動(dòng)電路及開關(guān)電源電路。控制部分包括：DSP控制電路；電壓、電流、溫度、轉(zhuǎn)速的檢測電路、故障與保護(hù)電路；開關(guān)量輸入輸出電路；模擬量輸入輸出電路、485／CAN通信電路和操作器電路，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2．1 控制器主電路設(shè)計(jì)
    控制器設(shè)計(jì)之初，需確定控制器負(fù)載、供電電源和使用環(huán)境的要求：①負(fù)載參數(shù)要求：負(fù)載額定功率Pn、額定電壓un、額定電流in和過載倍數(shù)kg等；②電源參數(shù)要求：額定電壓及變化范圍；③其他要求：工作環(huán)境條件、結(jié)構(gòu)尺寸限制等。根據(jù)某電動(dòng)汽車的要求，此處研制的控制器性能指標(biāo)為：額定功率55 kW；額定轉(zhuǎn)速4 500 r·min-1；峰值功率82．5 kW；峰值功率運(yùn)行時(shí)間5 min；電動(dòng)方式轉(zhuǎn)速范圍0～9 000 r·min-1；發(fā)電方式轉(zhuǎn)速范圍800～9 000 r·min-1；基速峰值及額定功率時(shí)的效率89％～93％；工作電壓范圍405～583．2 V；扭矩控制精度為：額定扭矩以下：±5 N·m，額定扭矩以上：5％；扭矩控制響應(yīng)時(shí)間小于100 ms；速度控制響應(yīng)時(shí)間為在200 ms時(shí)進(jìn)入±50 r·min-1誤差之內(nèi)；速度控制精度：負(fù)載從0～100％變化，速度變化小于±1％；扭矩和速度控制模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間20 ms。
2．1．1 控制器容量選擇
    由于電機(jī)控制器傳給驅(qū)動(dòng)電機(jī)的是脈動(dòng)電流，其脈動(dòng)值比工頻供電時(shí)電流要大，因此須將電機(jī)控制器的容量留有適當(dāng)?shù)脑Ａ?。變頻器應(yīng)滿足：
   
    式中：Scn為電機(jī)控制器的額定容量；Pn，η，cosφ分別為電機(jī)輸出功率、效率、功率因數(shù)，η=0．85，cosφ=0．8；K為電流波形的修正系數(shù)，PWM方式取1．05～1．1。
2．1．2 IGBT電壓選擇
    IGWT電壓應(yīng)能承受母線峰值電壓，當(dāng)ICBT關(guān)斷時(shí)峰值電壓可表示為：
   
    式中：Udcmax為母線最高電壓；α為過電壓保護(hù)系數(shù)，取α=1．15；β為安全系數(shù)，一般取β=1．1；Ldi／dt為母線電感引起的尖峰電壓，這里取100 V。
    通過對式(2)進(jìn)行計(jì)算得到Ucesp=858．7 V，這樣應(yīng)選擇Uces=1 200V的元件。
2．1．3 IGBT電流規(guī)格選擇
    IGBT電流的選擇，需保證電機(jī)峰值電流在IGBT的安全工作區(qū)內(nèi)。IGBT的額定電流應(yīng)滿足：
   
    式中：S為電機(jī)控制器容量，此處S=114kVA；kg=1.5；kjw為考慮結(jié)溫的電流降額系數(shù)，此處kjw=1.4；U0為驅(qū)動(dòng)電機(jī)線電壓，
    由式(3)可得，Ic應(yīng)大于508．94 A，根據(jù)IGBT的等級(jí)應(yīng)選擇Ic=600 A的元件。
2．2 IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
    根據(jù)IGBT驅(qū)動(dòng)電路的性能要求，此處選用了HCPL316J光耦驅(qū)動(dòng)電路。HCPL316J是一種IGBT門極驅(qū)動(dòng)光電耦合器：其參數(shù)為：可驅(qū)動(dòng)IGBT最高為150 A／1 200 V級(jí)；光學(xué)隔離，帶故障反饋輸出；16腳貼片封裝，CMOS／TTL兼容，500 ns開關(guān)速度；軟關(guān)斷技術(shù)，集成過流、欠壓保護(hù)功能；15～30 V寬電壓工作環(huán)境。
    由HCPL316J構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。由于選用的Ic=600 A，HCPL316J不能夠直接驅(qū)動(dòng)，故經(jīng)過推挽放大后驅(qū)動(dòng)IGBT。

2．3 信號(hào)檢測電路設(shè)計(jì)
    信號(hào)檢測電路包括母線電壓、母線電流、驅(qū)動(dòng)電機(jī)三相電流、控制器溫度、電機(jī)溫度和電機(jī)轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速的采樣與調(diào)理電路。除轉(zhuǎn)子位置與速度采樣電路外，其他信號(hào)均為模擬量，需經(jīng)過隔離后，調(diào)理成ADC單元可以處理的信號(hào)。
2．3．1 相電流采樣電路
    采樣電路由濾波調(diào)理電路和偏移限幅電路組成。從電流傳感器輸出的與實(shí)際電流成比例的信號(hào)，經(jīng)一階低通濾波和比例運(yùn)算后，得到幅值為-1．65～1．65 V，再經(jīng)偏置電路轉(zhuǎn)換為0～3．3 V。
2．3．2 位置與速度檢測電路
    選用旋轉(zhuǎn)變壓器作為轉(zhuǎn)子位置傳感器，旋轉(zhuǎn)變壓器適用于工作環(huán)境惡劣的場合，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。旋變／數(shù)字轉(zhuǎn)換器采用AD2S12 05，能獲取轉(zhuǎn)子的絕對位置信息。采用5 V電源供電，外接8．912 MHz的晶振。根據(jù)所選旋轉(zhuǎn)變壓器的勵(lì)磁電壓電流要求，設(shè)計(jì)勵(lì)磁環(huán)節(jié)的運(yùn)算放大電路，保證接收的正余弦信號(hào)峰峰值為(3．6±36％)V。
2．3．3 故障與保護(hù)電路
    W相過流保護(hù)電路將采集的電流信號(hào)與預(yù)先設(shè)定的極限值進(jìn)行比較，當(dāng)超過極限值時(shí)，觸發(fā)故障鎖存電路。故障鎖存與清除電路中，各種故障信號(hào)相與后，經(jīng)過RS觸發(fā)器，觸發(fā)PDPINTA中斷，并封鎖PWM輸出。當(dāng)故障已被消除時(shí)，通過DSP可將RS觸發(fā)器復(fù)位。該電路還能保證DSP復(fù)位過程中對PWM信號(hào)的封鎖。

3 控制單元軟件設(shè)計(jì)
    電機(jī)控制器控制框圖如圖3所示。驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器采用旋轉(zhuǎn)變壓器直接獲取轉(zhuǎn)子位置和速度，采用霍爾電流傳感器直接檢測定子三相電流。控制器利用轉(zhuǎn)子位置信息將三相電流進(jìn)行坐標(biāo)變換，得到d，q軸電流反饋值。d，q軸電流參考信號(hào)與實(shí)際值比較后，其偏差值被輸入至調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器的輸出與解耦電路輸出相加，便得到磁場定向d，q軸系中兩軸電壓參考值udref和uqref，通過Park逆變換，轉(zhuǎn)換為α，β軸參考電壓uαrad，uβref，經(jīng)過SVPWM模塊產(chǎn)生控制逆變器各功率開關(guān)的開通和關(guān)斷信號(hào)。其中，主控芯片采用TMS320LF2407A，其很適合于電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)控制。

    電機(jī)控制程序采用前后臺(tái)系統(tǒng)來完成。前臺(tái)系統(tǒng)為中斷級(jí)程序，包括T1定時(shí)器下溢中斷服務(wù)程序，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的核心算法和故障中斷，包括XINT1外部中斷服務(wù)程序和PDPINTA中斷服務(wù)程序，用于封鎖PWM輸出。T1定時(shí)器下溢中斷服務(wù)程序如圖4所示，故障中斷服務(wù)程序如圖5所示。

    后臺(tái)系統(tǒng)為任務(wù)級(jí)程序，流程圖如圖6所示。

    一個(gè)完整的驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器，不僅要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制算法，還要具備運(yùn)行控制、參數(shù)設(shè)置和工作狀態(tài)監(jiān)視等功能。此處將這些功能在任務(wù)級(jí)程序中實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器可通過操作鍵盤、控制端子和通信程序設(shè)定控制命令、運(yùn)行頻率，修改相關(guān)功能碼參數(shù)，監(jiān)控控制器工作狀態(tài)及故障信息。
    任務(wù)級(jí)程序是一個(gè)無限循環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)各種任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求，將其劃分為4個(gè)等級(jí)，如故障檢測函數(shù)和參數(shù)設(shè)置函數(shù)每1 ms執(zhí)行1次，而對于輸入輸出端子的處理函數(shù)則要每10ms執(zhí)行1次。

4 實(shí)驗(yàn)
    為驗(yàn)證和調(diào)試驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。驅(qū)動(dòng)電機(jī)測試系統(tǒng)由AVL測功機(jī)、Digatron電池模擬器、功率分析儀、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器組成。測功機(jī)采用轉(zhuǎn)速控制方式，提供負(fù)載；功率分析儀采集直流母線電壓電流、電機(jī)輸入側(cè)的電壓電流、測功機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信息，并實(shí)時(shí)傳送至上位機(jī)保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；電池模擬器為驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器提供電能；dSPACE通過CAN總線或者模擬量控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。

    驅(qū)動(dòng)電機(jī)在加速、平穩(wěn)運(yùn)行和制動(dòng)3個(gè)階段下的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩曲線和電壓、電流波形如圖7所示。由圖可知，系統(tǒng)電流控制特性良好。

5 結(jié)論
    電動(dòng)汽車要求電機(jī)及其控制器具有轉(zhuǎn)速范圍寬、過載系數(shù)高的特點(diǎn)，研制的利用DSP構(gòu)成的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，具有控制功能強(qiáng)、速度快、保護(hù)功能完善及工作性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。整個(gè)線路外圍元件少、走線簡單、逆變器體積小，可靠性高，能夠滿足電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求。